克雷格·霍根，费米国家加速器实验室 12月
2016年10月20日，芝加哥大学的科学家乔纳森·理查森和斯蒂芬·迈耶正在研究新重新配置的全息照相真空系统的最终组装，该系统位于一个由胶合板制成的粗糙外壳内，在一个由从费米实验室的骨场回收的钢板制成的平台上
左边的钢立方体支撑着一个全息干涉计的端镜
荣誉:克雷格·霍根，费米实验室 费米实验室的科学家们一直在进行实验，根据已知的物理学，在可以想象的最小尺度上寻找空间和时间的量子涨落
在这个极限下，普朗克长度，我们对空间和时间的经典概念被打破了
想象一下宇宙的大小与一粒尘埃的比例
这大约是与普朗克长度(10-33厘米)相比，尘埃的大小
普朗克时间是光传播这个距离需要多长时间
量子力学告诉我们，一切都在小尺度上不断波动，但普朗克尺度的空间和时间抖动本身是如此之小，以至于从未在实验室中测量过
更好地理解普朗克尺度下的运动可能有助于物理学家回答一个基本而重要的问题:为什么事物似乎在特定的时间和地点发生？ 这种时空属性，有时简称为“局部性”，确实是非常基本的
明确的地点和时间应该是时空的组成部分——现实的结构
长期以来，人们一直认为普朗克尺度太小，无法在任何实验中进行研究，但大约10年前，我们决定尝试一下
时空的普朗克尺度量子不确定性可能会随着光穿过实验的时间而增加，所以一个不可能的小效应变得非常难以探测——而不是不可能
因此，我们建造了一个名为费米实验室全息仪的装置，在相距很远的地方寻找非常小的波动
量子物质和时空:两个世界系统共享一个无法解释的现实 量子系统是由物质和能量组成的任何东西，在它被测量之前，它在某个确定的时间和地点不会发生任何事情
时空似乎正好相反:一切都是局部地发生在某个确定的地方，但它的性质只能非局部地测量，即通过比较不同地方发生的情况
不知何故，这两个不同的世界系统——量子物质和时空——在同一个真实的物理世界中共享并相互作用
局部绝对空间直接影响物质，任何人都可以通过旋转陀螺看到，或者在旋转木马上眩晕
因为物质是引力的来源，它显然影响空间和时间
由纯时空构成的引力波携带能量和信息，即使穿过“空”空间，物质也能以黑洞的形式变成纯时空
但是没有人确切地理解量子物质是如何与空间和时间联系在一起的
在日常生活中，甚至在大多数费米实验室实验中，人们很容易忘记量子时空，因为它不会影响我们实际测量的任何东西
尽管时空本身肯定存在一些量子不确定性，但对于标准理论来说，只有在单个量子粒子形成黑洞的长度以下才是致命的
这是我们称之为普朗克长度的微小尺度
全息仪在无测量方面的成功 在适度的40米尺度上，全息仪类似于巨型探测器，例如位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的激光干涉仪引力波观测站，用来探测来自遥远物体的引力波
像LIGO一样，它使用镜子和光——激光干涉仪——来测量空间和时间的抖动
在全息仪中，激光和镜子合为一个系统，成为一个非局域的量子物体，一个方向长40米，另一个方向长40米
它们产生的输出信号取决于镜面位置的量子差异
如果波动在仪器的尺度上是相干相关的，我们可以从每个普朗克时间只有一个普朗克长度的相对位置的随机变化来测量波动
几年前，我们公布了第一次实验的结果
从某种意义上来说，这个实验是一个巨大的成功，因为我们以前所未有的精度成功地测量到了任何东西:有了一些普朗克尺度的抖动，我们就会看到一个巨大的效果
但是我们没有发现这样的晃动
很安静
然而，那个实验并没有排除时空中的各种波动运动
例如，因为干涉仪的臂是直的，如果仪器纯粹是旋转运动，激光不会受到影响:镜子会相对于光束侧向移动，而不是沿着光束移动
寻找时空中的普朗克尺度扭曲 在广义相对论中，旋转的物质会将时空一起拖走
在存在旋转质量的情况下，由陀螺仪测量的局部非旋转框架相对于由遥远恒星测量的遥远宇宙旋转
很可能量子时空在局部框架中具有普朗克尺度的不确定性，这将导致随机的旋转波动或扭曲，这是我们在第一次实验中无法检测到的，而且太小，无法在任何正常的陀螺仪中检测到
所以，我们做了一个新实验
我们把仪器改造成新的形状
我们增加了额外的镜子来控制不同方向的激光，这样信号就会对相干的旋转抖动或扭曲做出反应
这种新仪器是一种非常灵敏的陀螺仪，持续时间非常短，能够在光穿过它的几分之一微秒内检测到非常小的旋转扭曲
我们可以探测到每秒钟100万次随机改变方向的震动，但这只会使仪器的相对侧移动十亿分之一米——比大陆漂移的速度慢得多
在我们的仪器中，这相当于每一次普朗克长度随机波动的扭曲
我们最近用这个重新配置的全息仪完成了最后的实验
我们的最终结果还是没有抖动，这可以解释为时空结构中没有某种普朗克尺度的扭曲
看来普朗克尺度的时空确实非常安静
继续寻找这些效应的原因是，如果没有一些测量来指导理论，我们可能永远不会理解量子时空是如何工作的
全息计计划是探索性的
我们的实验开始时只有粗略的理论来指导它的设计，我们仍然没有一个独特的方法来解释我们的无效结果，因为没有严格的理论来说明我们在寻找什么
神经过敏只是比我们想象的要小一点，还是它们有一种对称性，在空间中创造了一种我们还没有测量过的模式？新技术将使未来的实验比我们的更好，并可能给我们一些关于空间和时间如何从更深的量子系统中出现的线索
我们最近在arXiv上发表了一篇关于我们发现的论文
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